CN114993525B - 一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，包括外层可变形膜、导线、压电单晶体、细绳、颗粒材料。本发明的可变形浸入式的压力传感器工作时向电极输入高频脉冲信号，压电单晶体间电压信号传播过程中会受到颗粒间应力变化影响，而后通过逆压电效应沿连接导线输出电压，反馈信息可构成4阶信号矩阵，解析信号反推出平均应力的变化量。本发明的压力传感器具有一体化、结构简单、多个信息通道、响应迅速且能耗低的优点。适合于疏松介质和流体如地下岩土、地球宇宙星体的沙土，高含沙水流、泥石流或沼泽等环境中使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，具体涉及一种埋入介质内部基于压电单晶体发射超声波受介质中应力场影响产生变化并被压电单晶体接受转为电信号输出，可实现平均应力变化量测量的压力传感器。
背景技术
地应力是由于岩石形变而引起的介质内部单位面积上的作用力，其包括构造应力——造成地震的一个重要因素。在构造应力强烈的地区开挖隧洞会因洞壁是自由表面容易变形，使洞体逐渐缩小乃至坍塌，因此监测地应力具有重要的意义。当前地应力测试方法大体可分为绝对应力测量和相对应力测量，后者关注于应力随着时间的变化的动态规律，即地应力检测。本发明旨在提供一种介质中相对应力测量装置，通过测量压力的变化幅值做出预测，对自然灾害的防治、人类的安全以及全球工业与经济的发展有极大助益。
发明内容
本发明旨在提供一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，具有响应快速、可变形、稳定性能良好、抗干扰强度高、埋入式的特点。具体是一种埋入介质内部，借助装置内部6个压电单晶体的正逆压电效应，通过压电单晶体依次接受脉冲电信号并发射出超声波，与此同时其余压电单晶体接受到超声波信号并反馈为电信号输出，组成多通道压力传感器，平均化通道的信号构成信号矩阵，求解该矩阵得到平均应力(球应力)的改变量。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，包括外层可变形膜1、导线2、压电单晶体3、细绳4和颗粒材料5；外层可变形膜1包裹整个内部构件，导线2远端连接外部仪器并贯穿外层可变形膜1密封固定，另一端与压电单晶体3相连接；压电单晶体3之间由细绳4固定连接形成空间中的正八面体结构；颗粒材料5被填充在外层可变形膜1内部空隙中，颗粒材料5采用细小均匀颗粒材料。
优选的，所述细小均匀颗粒材料采用铜粉、铝粉、铁粉或金刚石粉末，保证声波传递过程中的连续、稳定性。
优选的，所述外层可变形膜1选取柔性大且强度高可变形的材料，边界的变形不会导致外层可变形膜1与压电单晶体3直接发生接触；所述导线2采用绝缘材料包裹，导线2与外层可变形膜1贯穿处应固定密封连接，以防止声波能量沿导线向外界传播。所述柔性大且强度高可变形的材料为橡胶或聚偏氟乙烯PVDF。
优选的，所述细绳4选择大柔度比聚合物材料，其高耗散性避免压电单晶体3所产生的声波直接通过细绳4传递。大柔度比聚合物材料为锦纶、涤纶、丙纶、凯夫拉或迪尼玛。
压力传感器内部采用正八面体结构，其力链相等的特性有效的消除不稳定因素的影响；压电单晶体3位于正八面体顶点处且相应棱边由细绳4连接固定，细绳长度相等以保证声波在稳定状态下在直接相连压电单晶体间的颗粒材料6中传递的路径长度、力链作用强度一致。
将压力传感器埋入疏松介质内部或浸入流体介质中，通过外部仪器沿导线2向某一压电单晶体3即接收端输入预设幅值有限个周期的高频正弦电压信号，接收到正弦电压信号的压电单晶即接收端产生高频振动声波信号，接收端和其余压电单晶体即输出端间因内部颗粒的接触作用实现振动声波信号的传递，其具体细节是：接收端和输出端间信号传递路径主要是颗粒间接触形成的力链，当接收端受到正弦电压信号的驱动产生高频振动，形成周期性声波信号沿着力链向空间传播，碰到输出端后驱动其产生形变从而产生电荷即电压信号沿着导线2输出到外部设备仪器，形成一个闭环；当外部介质的压力或应力场稳定时，颗粒间的相互作用是局部各向同性的即局部密度相同，由于八面体边长相等，则正八面体对称面内任意两个输出端的反馈信号幅值保持一致；当外部介质的压力或应力场发生变化时，致使外层可变形膜1发生形变，直接影响内部颗粒材料间的相互作用，而声波的传递速度与介质的密度相关，应力场的变化使得颗粒材料间不再呈现对称性，即相互作用在某一方向偏大，声波能量损耗低，进而导致对称面内各接收端对称性破缺，也即任意压电单晶接收端和压电单晶输出端组成的闭合回路反馈发生明显变化；
直接相连接的压电单晶体之间两两互相传递信号，平均化接收端与输出端的信号共组成12组信号通道，构成一4阶信号矩阵；通过求解该信号矩阵反推出应力场的平均应力变化量；
其中，
代表所标识的两个压电单晶体依次作接收端时，同一闭合回路两次反馈电压信号即接收端信号与输出端信号之差作平均。
通过求解信号矩阵反推出应力场的平均应力变化量的具体过程是：将同一闭合回路两次反馈电压信号即接收端信号与输出端信号之差作平均，当外界应力稳定时，每两直接相连的压电单晶体间颗粒作用相等，该4阶信号矩阵是奇异信号矩阵即行列式为零，并把此时信号矩阵作为初始值；当外界压力变化时，每两直接相连的压电单晶体间因外界应力场变化导致颗粒间作用强度依赖方向性，力链传递路径近似相等，信号衰减程度不相等，从而该4阶信号矩阵是非奇异信号矩阵；将非奇异信号矩阵与奇异阵信号矩阵相减，得到由压力变化引起的信号变化量矩阵，因为信号变化量矩阵与应力变化量存在对应的关系，由此能够反推得到应力场的平均应力变化量。
优选的，所述疏松介质为地下岩土、地幔或地球宇宙星体的沙土；所述流体介质为高含沙水流、泥石流或沼泽。
与现有技术相比，本发明所具有的优点：
1.本发明所述的可变形浸入式的压力传感器采用一体式结构，相较分布式其结构更为简单且对内部颗粒的特性(如导电性、阻抗)不受限制。
2.本发明是可变形、浸入式的压力传感器操作简便、响应迅速、能耗低以及强适应性。
3.本发明所述的可变形浸入式的压力传感器原理是输入预设幅值、频率的电压信号到压电单晶体，两压电单晶体间电压信号传播过程中会受到颗粒间应力变化影响，而后通过逆压电效应沿连接导线输出，采用多个信号通道平均法，组成4阶信号矩阵能最大程度感知外界压力的变化。
4.本发明所述的可变形浸入式的压力传感器内部采用正八面体结构，差分得到的信号变化量矩阵能有效的消除不稳定因素的影响(如温度)。
附图说明
图1为本发明压力传感器的剖视图
图2为本发明压力传感器的三维示意图
图3为本发明压力传感器的脉冲信号示意图
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1和图2所示，一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，包括外层可变形膜1、导线2、压电单晶体3、细绳4、颗粒材料5。外层膜1包裹压电单晶体3、细绳4和颗粒材料5；导线2远端部连接外部仪器并贯穿外层可变形膜1，贯穿处应固定密封连接，以防止声波能量沿导线向外界传播，另一端与压电单晶体3连接；压电单晶体3之间由细绳4固定连接形成空间中的正八面体结构(见图2)；颗粒材料5充满整个外层可变形膜1所包裹的腔体，颗粒材料主要用来传递超声波信号和感知外界应力场变化，采用铜粉、铝粉、铁粉或金刚石粉末等细小均匀颗粒材料，保证波传递过程中的连续、稳定性。
所述的外层可变形膜1应选择柔性大且强度高可变形的材料，如橡胶、聚偏氟乙烯(PVDF)。细绳4应选择大柔度比聚合物材料(如锦纶、涤纶、丙纶、凯夫拉、迪尼玛等)，其高耗散性可以直接避免压电单晶体所产生的声波直接通过细绳传递。
所述的导线2的作用：其一是起到约束压电单晶体3向外层可变形膜1靠近(防止两者直接接触)，以减小声波传递过程中非必要的边缘效应；其二是向压电单晶体3输入脉冲信号，并输出压电单晶体3所产生的电信号。
压力传感器内部由6个压电单晶体通过细绳4连接形成一正八面体结构，呈现高度对称以保证较好的鲁棒性(测量稳定性)，其边长相等特性可构造差分运算消除不稳定因素(如温度影响)。
本发明可变形浸入式压力传感器，其工作性能稳定、适应强度高，工作环境为疏松介质或流体内部，如地下岩土、地幔或高含沙水流、泥石流、沼泽以及地球宇宙星体的沙土等。
将压力传感器埋入疏松介质内部或浸入流体介质中，压电单晶体依次编号为A,B,C,D,E,F，通过外部设备仪器沿导线2向某一压电单晶体3(如A)即接收端输入预设幅值有限个周期的高频正弦电压信号，接收到正弦电压信号的压电单晶即接收端(A)产生高频振动声波信号(正压电效应)，接收端(A)和其余压电单晶体即输出端(如B,C,D,E)间因内部颗粒的接触作用实现振动声波信号的传递，其具体细节是：接收端和输出端间信号传递路径主要是颗粒间接触形成的力链，当接收端(A)受到正弦电压信号的驱动产生高频振动，形成周期性声波信号沿着力链向空间传播，碰到输出端(B,C,D,E)后驱动其产生形变从而产生电荷(逆压电效应)沿着导线2输出到外部设备仪器，形成闭环过程。当外部介质的压力或应力场稳定时，颗粒间的相互作用是局部各向同性的(局部密度相同)，由于八面体边长相等，则正八面体对称面内任意两个输出端(如B和C)的反馈信号幅值保持一致；当外部介质的压力或应力场发生变化时，致使外层可变形膜1发生形变，直接影响内部颗粒材料间的相互作用，而声波的传递速度与介质的密度相关，应力场的变化使得颗粒材料间不再呈现对称性，即相互作用在某一方向偏大，声波能量损耗低，进而导致对称面内各接收端对称性破缺，也即任意压电单晶接收端和压电单晶输出端组成的闭合回路反馈发生明显变化；
对6个压电单晶体(A,B,C,D,E,F)依次输入预设幅值、频率的电压信号，直接相连接的压电单晶体之间(如A到B过程和B到A过程)互相传递信号，平均化接收端与输出端的信号可共组成12组信号通道，将其作为信号矩阵元素(如
)构成一4阶信号矩阵。在整个工作过程中非直接相连的压电单晶体(如A、F)的影响可以不计。通过求解该信号矩阵可反推出应力场的平均应力变化量；
其中，
代表所标识的两个压电单晶体依次作接收端时，同一闭合回路两次反馈电压信号(接受端信号与输出端信号之差)作平均。
通过求解信号矩阵反推出应力场的平均应力变化量的具体过程是：将同一闭合回路两次反馈电压信号(接收端信号与输出端信号之差)作平均(差分过程——减少其它因素如温度的影响)，当外界应力稳定时，每两直接相连的压电单晶体间颗粒作用相等(力链传递路径近似相等，信号衰减量基本相同)，该4阶信号矩阵是奇异信号矩阵(行列式为零)，并把此时信号矩阵作为初始值；当外界压力变化时，每两直接相连的压电单晶体间因外界应力场变化导致颗粒间作用强度依赖方向性(力链传递路径近似相等，信号衰减程度不一样)，从而该4阶信号矩阵是非奇异信号矩阵；将非奇异信号矩阵与奇异阵信号矩阵相减，得到由压力变化引起的信号变化量矩阵，因为信号变化量矩阵与应力变化量存在对应的关系，由此能够反推得到应力场的平均应力变化量。
Claims (10)
1.一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：包括外层可变形膜(1)、导线(2)、压电单晶体(3)、细绳(4)和颗粒材料(5)；外层可变形膜(1)包裹整个内部构件，导线(2)远端连接外部仪器并贯穿外层可变形膜(1)密封固定，另一端与压电单晶体(3)相连接；压电单晶体(3)之间由细绳4固定连接形成空间中的正八面体结构；颗粒材料(5)被填充在外层可变形膜(1)内部空隙中，颗粒材料(5)采用细小均匀颗粒材料。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：所述细小均匀颗粒材料采用铜粉、铝粉、铁粉或金刚石粉末，保证声波传递过程中的连续、稳定性。
3.根据权利要求1所述的一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：所述外层可变形膜(1)选取柔性大且强度高可变形的材料，边界的变形不会导致外层可变形膜(1)与压电单晶体(3)直接发生接触；所述导线(2)采用绝缘材料包裹，导线(2)与外层可变形膜(1)贯穿处应固定密封连接，以防止声波能量沿导线向外界传播。
4.根据权利要求3所述的一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：所述柔性大且强度高可变形的材料为橡胶或聚偏氟乙烯PVDF。
5.根据权利要求1所述的一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：所述细绳(4)选择大柔度比聚合物材料，其高耗散性避免压电单晶体(3)所产生的声波直接通过细绳(4)传递。
6.根据权利要求5所述的一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：所述大柔度比聚合物材料为锦纶、涤纶、丙纶、凯夫拉或迪尼玛。
7.根据权利要求1所述的一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：压力传感器内部采用正八面体结构，其力链相等的特性有效的消除不稳定因素的影响；压电单晶体(3)位于正八面体顶点处且相应棱边由细绳(4)连接固定，细绳长度相等以保证声波在稳定状态下在直接相连压电单晶体间的颗粒材料(6)中传递的路径长度、力链作用强度一致。
8.根据权利要求1所述的一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：将压力传感器埋入疏松介质内部或浸入流体介质中，通过外部仪器沿导线(2)向某一压电单晶体(3)即接收端输入预设幅值有限个周期的高频正弦电压信号，接收到正弦电压信号的压电单晶即接收端产生高频振动声波信号，接收端和其余压电单晶体即输出端间因内部颗粒的接触作用实现振动声波信号的传递，其具体细节是：接收端和输出端间信号传递路径主要是颗粒间接触形成的力链，当接收端受到正弦电压信号的驱动产生高频振动，形成周期性声波信号沿着力链向空间传播，碰到输出端后驱动其产生形变从而产生电荷即电压信号沿着导线(2)输出到外部设备仪器，形成一个闭环；当外部介质的压力或应力场稳定时，颗粒间的相互作用是局部各向同性的即局部密度相同，由于八面体边长相等，则正八面体对称面内任意两个输出端的反馈信号幅值保持一致；当外部介质的压力或应力场发生变化时，致使外层可变形膜(1)发生形变，直接影响内部颗粒材料间的相互作用，而声波的传递速度与介质的密度相关，应力场的变化使得颗粒材料间不再呈现对称性，即相互作用在某一方向偏大，声波能量损耗低，进而导致对称面内各接收端对称性破缺，也即任意压电单晶接收端和压电单晶输出端组成的闭合回路反馈发生明显变化；
直接相连接的压电单晶体之间两两互相传递信号，平均化接收端与输出端的信号共组成12组信号通道，构成一4阶信号矩阵；通过求解该信号矩阵反推出应力场的平均应力变化量；
其中，
代表所标识的两个压电单晶体依次作接收端时，同一闭合回路两次反馈电压信号即接收端信号与输出端信号之差作平均。
9.根据权利要求8所述的一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：通过求解信号矩阵反推出应力场的平均应力变化量的具体过程是：将同一闭合回路两次反馈电压信号即接收端信号与输出端信号之差作平均，当外界应力稳定时，每两直接相连的压电单晶体间颗粒作用相等，该4阶信号矩阵是奇异信号矩阵即行列式为零，并把此时信号矩阵作为初始值；当外界压力变化时，每两直接相连的压电单晶体间因外界应力场变化导致颗粒间作用强度依赖方向性，力链传递路径相等，信号衰减程度不相等，从而该4阶信号矩阵是非奇异信号矩阵；将非奇异信号矩阵与奇异阵信号矩阵相减，得到由压力变化引起的信号变化量矩阵，因为信号变化量矩阵与应力变化量存在对应的关系，由此能够反推得到应力场的平均应力变化量。
10.根据权利要求8所述的一种基于超声波在颗粒材料传导特性的可变形浸入式压力传感器，其特征在于：所述疏松介质为地下岩土、地幔或地球宇宙星体的沙土；所述流体介质为高含沙水流、泥石流或沼泽。
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| CN111781271A (zh) * | 2020-07-14 | 2020-10-16 | 电子科技大学 | 一种柔性声表面波气体传感器及其制备方法 |
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2022
- 2022-07-01 CN CN202210768208.2A patent/CN114993525B/zh active Active
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